Der Funke für den PETRA IV-Injektor: neue smarte kostengünstige Laserfokussierung

Die Spiegel, Linsen und anderen Geräte, die Laser bündeln, müssen einiges aushalten. Die Optik für einen Hochleistungslaser, der einen Plasmabeschleuniger antreibt, muss noch mehr leisten: Sie muss hohen Energien standhalten, außergewöhnlich präzise und stabil sein und sich darüber hinaus leicht einstellen lassen. Normalerweise sind solche Optiken so kompliziert, dass sie unflexibel sind und sich oft nur für einen bestimmten Verwendungszweck eignen. Außerdem sind sie sehr teuer. Wissenschaftler:innen, die am deutschen Forschungszentrum DESY an Plasmabeschleunigern arbeiten, haben jedoch eine relativ einfache Lösung gefunden, um herkömmliche Komponenten für Hochleistungslaseroptiken in eine hochgradig abstimmbare Anordnung zu verwandeln, die der Leistung der komplizierteren Versionen in nichts nachsteht. Die Anordnung, die in dem für die zukünftige Lichtquelle PETRA IV vorgesehenen Plasmabeschleuniger zum Einsatz kommen soll, wird jetzt in einem Artikel in der Fachzeitschrift Optics Letters vorgestellt.

Die Laser für hochenergetische Plasma-Elektronenbeschleuniger haben mehrere große Leistungshürden zu überwinden. Sie müssen das Plasma, das die Elektronen beschleunigt, mit Energie versorgen und formen. Darüber hinaus müssen sie konsistent durch eine winzige Plasmastruktur mit einer Breite von etwa 50 Millionstel Metern geführt werden – das erfordert ein hohes Maß an Stabilität. Normalerweise kann die Bündelung der Laserstrahlen verschiedene komplexe optische Komponenten umfassen, die jeweils zur Erzeugung einer bestimmten Bündelungsform verwendet werden. Diese komplexen Optiken sind zu einem Hindernis für Experimente mit verschiedenen Beschleunigungsmodi und die Suche nach potenziell effizienteren Methoden geworden.

Das Team hat allerdings eine Anordnung entwickelt, die dieses Problem lösen könnte und die auf zwei Standard-Optikkomponenten basiert. Die von ihnen entwickelte Anordnung kombiniert diese beiden Optiken auf eine neue Art und Weise, die den Einsatz komplexerer Fokussieroptiken überflüssig macht, dabei aber deren nominale Wirkung beibehält und zusätzlich eine Abstimmbarkeit hinzufügt. Dazu wurden Komponenten verwendet, die für eine Plasma-Beschleunigungsanordnung typisch sind: ein verformbarer Spiegel und ein Parabolspiegel. Ein verformbarer Spiegel kann während des Einsatzes auf verschiedene Weise gebogen und geformt werden, je nachdem, was für die Beschleunigung erforderlich ist. In der Regel beseitigen diese Spiegel Aberrationen im Laser, während ein benachbarter Parabolspiegel (schüsselförmiger Spiegel) den Laserstrahl fokussiert.

„Während diese verformbaren Spiegel normalerweise Unvollkommenheiten aus einem Laserstrahl entfernen, wollen wir sie hier einsetzen, um gezielt Abweichungen hinzuzufügen, um den Laserfokus so zu formen, dass wir ihn für eine größere Bandbreite von Anwendungen nutzen können“, sagt Peter Blum, Erstautor der Studie und Doktorand in der Gruppe für Plasmabeschleunigung bei DESY. Diese gezielten Abweichungen, die das Team seinem verformbaren Spiegel hinzugefügt hat, können den Fokus des hochintensiven Laserstrahls dehnen und formen. „Das ähnelt oder entspricht sogar den Aufbauten, die in den meisten Labors zu finden sind – wir haben sie nur auf eine Weise eingesetzt, die zuvor noch nicht ausprobiert worden ist“ erklärt Blum.

„Man beginnt sich zunehmend für neuartige Beschleunigungskonzepte zu interessieren, die auf strukturierten Laser-Fokussen basieren, die durch komplexe Optiken erzeugt werden“, sagt Rob Shalloo, Leiter der Emmy-Noether-Forschungsgruppe bei DESY und Hauptverantwortlicher der Studie. „Wir haben hier jedoch gezeigt, dass man mit den vorhandenen Spiegeln tatsächlich dieselbe Aufgabe effektiv erfüllen kann – was letztlich viel nachhaltiger und flexibler ist, als neue zusätzliche Optiken anschaffen zu müssen.“ Diese Flexibilität ist für den PETRA IV-Injektor sehr nützlich.

„Dies ist eine der entscheidenden Schlüsseltechnologien für PETRA IV“, sagt Andreas Maier, Leiter der DESY-Gruppe für Plasmabeschleunigung, leitender Wissenschaftler bei DESY und einer der Mitautoren der Studie. Mithilfe einer Reihe von Simulationswerkzeugen demonstrierte das Team anhand von PETRA IV-Anwendungsfällen die Flexibilität des Systems und zeigte, wie sich die vielfältigen Fokusformen auf die Plasmaerzeugung auswirken können. Sie stellten fest, dass sich die Anordnung gut für die Erzeugung von Plasmawellenleitern eignet, die den ersten Schub für die in den neuen PETRA IV-Synchrotronring eintretenden Elektronen liefern.

Darüber hinaus ist der Aufbau relativ einfach, sodass er auch für andere Forschungseinrichtungen zugänglich ist. Das Team testete verschiedene mögliche Fokussierungsszenarien, die auch auf andere Anwendungsfälle übertragbar sind. „Da diese Technik bereits vorhandene Geräte nutzt, kann sie nicht nur hier bei DESY, sondern auch in anderen Plasma-Beschleunigeranlagen eingesetzt werden“, sagt Shalloo. Dies würde die Entwicklung neuer Plasma-Beschleunigungskonzepte an anderen Instituten ermöglichen.

„DESY bringt viele Innovationen hervor – und manchmal kommt es nicht darauf an, was wir gebaut haben, sondern wie wir es gebaut haben“, sagt DESY-Beschleunigerdirektor Wim Leemans, der auch Mitautor der Veröffentlichung ist. „Die von unserem Team entwickelte Fokussierungsanlage ist eine elegante Lösung, die dazu beiträgt, die Zukunftstechnologie der Plasmabeschleunigung nicht nur in PETRA IV, sondern potenziell auch in einem breiteren Spektrum wissenschaftlicher und technischer Anwendungen einzusetzen.“